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纳米线环照明移频技术实现大视场无标记远场纳米显微成像
2019-1-11 21:49:04

1,光学显微成像的重要发展历程。

光学显微镜自16世纪发明以来,成为了人们探索微观世界的重要工具。从列文虎克用自制的显微镜首次揭示微生物的存在到集成芯片微小缺陷的检测,显微技术在近一个世纪突飞猛进,在1953年、1986年、2014年三次获得了诺贝尔奖,极大地促进了生物医学、物理、化学等领域的发展。

最初,人们认为,只要显微镜片的制作足够精细,理论上可以观察到任何微小的尺寸。然而,19世纪末,德国物理学家恩斯特·阿贝发现了“衍射极限”的存在,即光作为一种波,它的聚焦能力会受光学系统的孔径(Numerical aperture (NA))和光波长限制,聚焦光斑的尺寸不可能小于。这一特性限制了在可见光波段显微成像的分辨能力,使200纳米以下的微小结构无法被传统的显微方法观察。而打破衍射极限,实现“超分辨成像”,对人类科学取得突破性发展至关重要,因而成为了国内外研究者孜孜以求的目标。

2014年诺贝尔化学奖颁给了标记型远场超分辨成像——受激发射损耗荧光显微术(STED)、随机光学重建显微术(STORM)和光激活定位显微术(PALM)——使人类的光学显微进入超分辨时代,为生物和医学的发展提供了有力的研究手段。这些技术首先利用特殊的荧光颗粒对生物组织进行染色标记,然后通过使用荧光颗粒的非线性效应而将距离很近的结构分辨开来。但同时,基于荧光标记样品的成像方法对荧光颗粒和成像样品都有着较为严格的要求,普适性不强,且遇到了成像速度慢、易引起生物体排异反应等瓶颈。

相比起来,非荧光标记的超分辨显微方法在活体成像、多类样品成像、快速成像等方面具有天然的优势。然而其发展却非常缓慢,难以满足材料、信息、医学和生物科学等领域在无标记样品检测方面的迫切需求。国际上多个知名课题组对其展开研究,微球接触、超透镜等技术相继被发明,但仍面临着光谱范围单一、视场小等限制。探索并发展宽视场、远场、结构与相位均能快速成像的新型非荧光标记超分辨显微方法成为人们关注的难点与热点。

最近,浙江大学刘旭、杨青课题组在该领域取得重要研究进展。他们利用移频成像原理,开创性地将发光纳米线环作为局域光源,巧妙地利用其小尺寸、大表体比、强光局域能力和强倏逝场等特点,首次实现了大视场、远场、无标记的超分辨显微成像,分辨率较传统显微方法提升了5倍,且其视场比以往报道的无标记型远场超分辨显微方法扩展了2个数量级。

2,纳米线环形照明显微术机理示意及“ZJU”结构观察效果图。

该方法被称为纳米线环形照明显微术(Nanowire ring illumination microscopy (NWRIM)),结构如图2(a)所示。图2(b)为利用NWRIM观察特征尺寸在几十纳米量级的“ZJU”图案效果。不仅如此,NWRIM在集成芯片、蓝光DVD、3T3 l1癌细胞等多类亚波长样品上均得到验证,显示了其普适性强,方便使用的优点。如图3所示为利用NWRIM观察蓝光光碟和集成电路的效果图。NWRIM与广泛使用的显微镜系统具有优秀的兼容性,可设计成紧凑式照明芯片使普通显微镜具备超分辨能力。这些特点使NWRIM在生物医学、集成芯片、材料学等重要领域具有广阔的应用前景,同时也为推进微纳光子器件的实际应用迈出了重要的一步。

3,NWRIM在蓝光光碟和集成电路上的应用效果图。(a),蓝光光碟的普通显微成像。(b),蓝光光碟在纳米线环照明下的成像。(c),集成电路的普通显微成像。(d),集成电路在纳米线环照明下的成像。(e),(c)与(d)中白色方框标示区域的电子显微镜照片。(f),(c)与(d)中沿蓝色虚线所描绘的成像强度分布。

2017年2月17日,世界著名的物理学顶级学术期刊《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett. 118, 076101, 2017)发表了纳米线环形照明显微技术的最新研究成果。

论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.076101